在自然界中，两种不同物质之间化学相互作用形成的图案被认为决定了我们肉眼看到的纹理，例如斑马的条纹。这些条纹的形成遵循一个数学基础，而这个数学基础可能还在调控着另一件完全不相关的事件——精子运动形成的波浪状图案。根据9月27日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究，相同的数学理论可以跨越两者。
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要理解这种联系，我们需要回到70多年前。精子尾部（鞭毛）的波浪状起伏在时空中形成了条纹状图案。这些图案可能遵循20世纪最著名的科学家之一、数学家艾伦·图灵提出的模板。图灵以在第二次世界大战期间破解恩尼格玛密码和开创计算机科学新时代而闻名，但他还提出了一种非正式称为反应-扩散理论的模式形成理论。这一1952年的理论预测，当物体或生物体内的化学物质扩散并相互反应时，可辨认的自然图案可能会自发产生。
尽管这一理论尚未得到充分的实验证据证明，但图灵的理论激发了更多研究，试图利用反应-扩散数学来理解自然图案。这些所谓的图灵图案被认为可以解释豹子的斑点、向日葵花盘里的种子排列，甚至海滩上的沙子图案。
在这项新研究中，英国布里斯托大学的一个团队利用图灵图案来研究精子鞭毛和称为纤毛的振动性毛发状细胞的运动。
“自然界到处都能观察到鞭毛和纤毛的自发运动，但人们对它们如何协调运作知之甚少，”研究合著者、数学家赫尔墨斯·加德尔ha在一份声明中说。“它们在健康与疾病、生殖、进化以及几乎所有地球水生微生物的生存中都至关重要。”
鞭毛的波动被认为在时空中形成条纹图案，即沿着尾部传播以驱动精子在流体中前进的波。为了更深入地研究，加德尔ha及其团队使用数学建模、模拟和数据拟合来证明，波浪状的鞭毛运动实际上可以在没有周围流体影响的情况下自发产生。根据该团队的说法，这在数学上等同于70多年前图灵首次提出的用于化学图案的反应-扩散系统。
对于游动的精子来说，分子马达的化学反应为其尾部提供动力，而弯曲运动沿着尾部以波浪的形式扩散。流体本身对尾部的运动起着非常小的作用。
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“我们发现，这个数学‘配方’被两种截然不同的物种遵循——牛的精子和莱茵衣藻（一种绿色藻类，在科学研究中用作模式生物），这表明大自然会复制类似的解决方案，”加德尔ha说。“即使鞭毛不受周围流体影响，旅行波也会自发出现。这意味着鞭毛具有一种万无一失的机制，能够在低粘度环境中实现游泳，否则对于水生物种来说这是不可能的。这是模型模拟首次与实验数据吻合良好。”
这项研究的发现可能有助于理解与异常鞭毛运动相关的生育问题、由无效纤毛引起疾病，并可应用于机器人技术。自然界中可能还存在其他模型能够为图灵的模板提供进一步的实验证据，但这还需要更多的研究。
